電子設(shè)備電源EMI濾波器的原理和正確應(yīng)用方法

差模電感線(xiàn)圈L3、L4與差模電容器CX構(gòu)成交流進(jìn)線(xiàn)獨(dú)立端口間的一個(gè)低通濾波器，用來(lái)抑制交流進(jìn)線(xiàn)上的差模干擾噪聲，防止電源設(shè)備受其干擾。

圖2所示的電源噪聲濾波器是無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，它具有雙向抑制性能。將它插入在交流電網(wǎng)與電源之間，相當(dāng)于這二者的EMI噪聲之間加上一個(gè)阻斷屏障，這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)源濾波器起到了雙向抑制噪聲的作用，從而在各種電子設(shè)備中獲得了廣泛應(yīng)用。

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5、噪聲濾波器的主要設(shè)計(jì)原則

共模電感線(xiàn)圈使用的磁芯有環(huán)形、E形和U形等，材料一般采用鐵氧體，環(huán)形磁芯適用于大電流小電感量，它的磁路比E形和U形長(zhǎng)，沒(méi)有間隙，用較少的圈數(shù)可獲得較大的電感量，由于這些特點(diǎn)它具有較佳的頻率特性。而E形磁芯的線(xiàn)圈泄漏磁通小，故當(dāng)電感漏磁有可能影響其它電路或其它電路與共模電感有磁耦合，而不能獲得所需要的噪聲衰減效果時(shí)應(yīng)考慮采用E形磁芯作成共模電感。

差模電感線(xiàn)圈一般采用金屬粉壓磁芯，由于粉壓磁芯適用頻率范圍較低，在幾十kHz～幾MHz，其直流重疊特性好，在大電流應(yīng)用時(shí)電感量也不會(huì)大幅下降，最適合作為差模電感。

圖2中，電源噪聲濾波器使用二種電容器，CX、CY1和CY2，它們?cè)跒V波器中的作用不同，還有不同的安全等級(jí)要求，因此其性能參數(shù)直接與濾波器的安全性能有關(guān)。

差模電容CX接在交流電進(jìn)線(xiàn)兩端，它上面除加有額定交流電壓以外，還會(huì)疊加交流進(jìn)線(xiàn)之間存在的各種EMI峰值電壓。所以該電容器的耐壓及耐瞬態(tài)峰值電壓的性能要求較高，同時(shí)要求該電容器失效后，不能危及后面電路及人身安全。CX電容器的安全等級(jí)又分為X1和X2兩類(lèi)，X1類(lèi)適用于一般場(chǎng)合，X2類(lèi)適用于會(huì)出現(xiàn)高的噪聲峰值電壓的應(yīng)用場(chǎng)合。

共模電容CY接在交流電進(jìn)線(xiàn)與機(jī)殼地之間，要求它們?cè)陔姎夂蜋C(jī)械性能上，應(yīng)有足夠大的安全余量，萬(wàn)一它們發(fā)生擊穿短路，將使設(shè)備機(jī)殼帶上危險(xiǎn)的交流電，如設(shè)備的絕緣或接地保護(hù)失效，可能使操作人員遭受電擊，甚至危及人身安全。因此對(duì)CY電容器的容量要進(jìn)行限制，使其在額定頻率的電壓下漏電流小于安全規(guī)范值。另外還要求其應(yīng)有足夠的耐壓及耐瞬態(tài)高峰值電壓的余量，并且萬(wàn)一發(fā)生電壓擊穿它應(yīng)處于開(kāi)路狀態(tài)，而不會(huì)使設(shè)備機(jī)殼帶電。

綜上所述，在設(shè)計(jì)和選擇電網(wǎng)噪聲濾波器時(shí)，因?yàn)樗鼈児ぷ髟诟唠妷骸⒋箅娏?、惡劣的電磁干擾環(huán)境中，首先必須考慮所用電感器和電容器的安全性能。對(duì)于電感線(xiàn)圈，其磁芯、繞線(xiàn)的材料，絕緣材料和絕緣距離、線(xiàn)圈溫升等都應(yīng)予重視。對(duì)于電容器，其電容種類(lèi)、耐壓、安全等級(jí)、容量、漏電流等都應(yīng)優(yōu)先考慮，特別要求選擇經(jīng)過(guò)國(guó)際安全機(jī)構(gòu)安全認(rèn)證的產(chǎn)品。

6、濾波器的安全性能參數(shù)

6.1濾波器與漏電流

電網(wǎng)濾波器漏電流定義為：在額定交流電壓下，濾波器外殼到交流進(jìn)線(xiàn)任一端的電流。如果濾波器的所有端口與外殼之間是完全絕緣的，則漏電流的值，主要取決于共模電容CY的漏電流，即主要取決于CY的容量。由于濾波器漏電流的大小，涉及到人身安全，國(guó)際上各國(guó)對(duì)此都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。對(duì)于220V/50Hz 交流電網(wǎng)供電，一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA。

6.2濾波器與試驗(yàn)電壓

對(duì)于交流電網(wǎng)噪聲濾波器，試驗(yàn)電壓分為兩種：一種是加在交流進(jìn)線(xiàn)兩端，即線(xiàn)—線(xiàn)試驗(yàn)電壓。若電感線(xiàn)圈及引線(xiàn)是絕緣良好的，它主要取決于電容器CX的耐壓；另一種是加在交流進(jìn)線(xiàn)任一端與機(jī)殼地之間，即線(xiàn)—地試驗(yàn)電壓。它主要取決于CY的耐壓。

漏電流和試驗(yàn)電壓都是噪聲濾波器的安全性能參數(shù)，是濾波器中電感線(xiàn)圈、絕緣和電容器CX、CY安全性能的具體表現(xiàn)，并且與設(shè)備及人身安全緊密相關(guān)。因此在電網(wǎng)噪聲濾波器的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和使用中，都要特別加以重視，把這些技術(shù)參數(shù)的認(rèn)證和檢驗(yàn)放在首位。

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7、濾波器的技術(shù)參數(shù)及正確使用

（1）插入損耗是噪聲濾波器的重要技術(shù)參數(shù)之一，在設(shè)計(jì)和選用時(shí)應(yīng)予主要考慮。在濾波器的安全、常規(guī)電氣性能、環(huán)境及機(jī)械等條件都滿(mǎn)足要求時(shí)，應(yīng)盡量選擇插入損耗值大些。

插入損耗的定義如圖3所示，當(dāng)沒(méi)接濾波器時(shí)，信號(hào)源輸出電壓為V1，當(dāng)濾波器接入后，在濾波器輸出端測(cè)得信號(hào)源的電壓為V2。若信號(hào)源輸出阻抗與接收機(jī)輸入阻抗相等，都是50Ω，則濾波器的插入損耗為：IL=20log（V1/V2）（1）

因?yàn)殡娫丛肼暈V波器能衰減共模和差模噪聲，所以它即有共模插入損耗，又有差模插入損耗。

但在實(shí)際選用濾波器時(shí)，應(yīng)注意產(chǎn)品手冊(cè)給出的插入損耗曲線(xiàn)，都是按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在其輸入和輸出阻抗都為50Ω條件下測(cè)得的。因?yàn)閷?shí)際的濾波器兩端阻抗不一定在全頻率范圍內(nèi)是50Ω，所以它對(duì)EMI信號(hào)的衰減，并不等于產(chǎn)品手冊(cè)中給出的插入損耗值。特別當(dāng)使用安裝不當(dāng)時(shí)，還會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)給定的插入損耗。

（2）電源噪聲濾波器是一種具有互易性的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際應(yīng)用中為使它有效地抑制噪聲應(yīng)合理配接。按圖4所示組合來(lái)選擇濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，才能得到較好的EMI抑制效果。

當(dāng)濾波器的輸出阻抗與負(fù)載阻抗不相等時(shí)，在此端口上會(huì)產(chǎn)生反射，兩個(gè)阻抗相差越大，端口產(chǎn)生的反射也越大。當(dāng)濾波器兩端阻抗都與外部阻抗不相等時(shí)，則 EMI信號(hào)將在其輸入和輸出端都產(chǎn)生反射。這時(shí)電源濾波器對(duì)電磁干擾噪聲的衰減，就與濾波器固有的插入損耗和反射損耗有關(guān)，可利用這點(diǎn)更有效地抑制電磁干擾噪聲。在實(shí)際設(shè)計(jì)和選擇使用EMI濾波器時(shí)，要注意濾波器阻抗的正確連接，以造成盡可能大的反射，使濾波器在很寬的頻率范圍內(nèi)造成較大的阻抗失配，從而得到更好的電磁干擾抑制性能。

（3）在電源濾波器的實(shí)際應(yīng)用中，要求其外殼與系統(tǒng)地之間有良好的電氣連接，且應(yīng)使接地線(xiàn)盡量短，因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的接地線(xiàn)會(huì)加大接地電阻和電感，而嚴(yán)重削減濾波器的共模抑制能力，同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生公共接地阻抗耦合的問(wèn)題。如圖5所示，接地線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)，則濾波器輸入和輸出之間的公共耦合阻抗Zg也過(guò)大，負(fù)載上電壓為：V0=VZ＋Vg=VZ＋（Ii－IO）Zg（2）式中：Ii為濾波器交流輸入電路的噪聲電流；IO為濾波器輸出電路的噪聲電流。